Познавательные факты
Какая температура в космосе
Replyon.net
Температура космического микроволнового фонового излучения составляет примерно 2,725 К, то есть около −270,4 °C. Это остаточное излучение ранней Вселенной, которое окружает нас практически со всех направлений.
Но утверждение «температура космоса равна −270 °C» всё равно вводит в заблуждение. Возле Земли отдельные частицы разреженного газа могут иметь температуру в тысячи градусов. В горячей межзвёздной плазме миллионы градусов. Поверхность предмета на солнечной стороне может нагреться выше 100 °C, а его противоположная сторона одновременно оказаться при температуре значительно ниже нуля и никакого противоречия здесь нет.
Причина в том, что космос почти пуст, а понятие температуры в почти полном вакууме работает несколько иначе, чем температура воздуха вокруг нас на Земле.
Есть ли у вакуума температура
Температура характеризует энергию движения частиц вещества. В комнате вокруг нас находятся огромные количества молекул воздуха. Они сталкиваются с человеком, стенами, мебелью и друг с другом, постоянно передавая энергию.
В комнате +22 °C имеет совершенно понятный физический смысл, речь идёт прежде всего о температуре воздуха.
В космосе плотность вещества чрезвычайно мала. Например, NASA приводит для некоторых областей межзвёздного пространства менее 0,001 атома на кубический сантиметр, тогда как в обычном помещении в кубическом сантиметре воздуха находится порядка 10¹⁹ молекул.
Поэтому там нет плотного окружающего вещества, которое могло бы быстро привести предмет к собственной температуре. Вот почему правильнее спрашивать не какая температура у пустого космоса, а до какой температуры нагреется или охладится конкретный объект в данном месте космоса.
И ответы могут быть совершенно разными.
Откуда взялись знаменитые −270 °C
Даже абсолютно пустое пространство не является полностью «тёмным» в физическом смысле. Вселенную пронизывает космическое микроволновое фоновое излучение — CMB. Это очень сильно остывшее излучение, оставшееся с ранних этапов развития Вселенной.
Аппарат COBE измерил его спектр и показал, что он практически идеально соответствует излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К, в градусах Цельсия −270,4 °C. Именно отсюда происходит популярная цифра.Но CMB это температура фонового излучения, а не универсальный «космический воздух» с температурой −270 °C. Если убрать Солнце, звёзды, планеты и другие источники энергии и оставить предмет в глубоком космосе достаточно надолго, его температура могла бы приблизиться к этому фону.
В реальной Вселенной вокруг почти всегда существуют дополнительные источники излучения.
Почему предмет в космосе не обязательно имеет температуру −270 °C
Представим спутник возле Земли. С одной стороны его освещает Солнце. Он поглощает солнечное излучение и нагревается.
Одновременно спутник сам излучает энергию в инфракрасном диапазоне и благодаря этому охлаждается. Кроме того, он может получать инфракрасное излучение от Земли, отражённый Землёй солнечный свет и тепло от собственной электроники.
В результате устанавливается определённый тепловой баланс. Поэтому два одинаковых предмета могут иметь совершенно разные температуры просто потому, что один находится на Солнце, а другой в тени.
В космосе нет привычного охлаждения воздухом
Это один из важнейших моментов. На Земле горячая чашка кофе охлаждается сразу несколькими способами. Она отдаёт тепло воздуху, вокруг неё возникает конвекция и часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне.
В вакууме практически нет газа, способного уносить тепло посредством обычной конвекции. Поэтому космический аппарат в основном должен избавляться от избыточной энергии посредством теплового излучения.
Именно поэтому на спутниках можно увидеть специальные радиаторы, поверхности, предназначенные для эффективного излучения тепла в пространство. Космос чрезвычайно холоден в смысле радиационного фона, но это совсем не означает, что любой предмет мгновенно замёрзнет.
На Солнце жарко, в тени холодно
Особенно хорошо это видно на примере космических скафандров. NASA указывает, что во время выхода в открытый космос внешние условия могут изменяться примерно от −157 °C до +121 °C.Это не означает, что вокруг астронавта находится воздух такой температуры. Цифры характеризуют экстремальное тепловое воздействие, которому могут подвергаться поверхности в солнечном свете и в тени.
Поэтому белый внешний слой скафандра хорошо отражает солнечный свет, внутри используется теплоизоляция, а температура тела регулируется собственной системой охлаждения.
Фактически современный скафандр это маленький автономный космический корабль.
На Луне разница ещё заметнее
У Луны почти нет атмосферы, способной перераспределять тепло. Поэтому солнечный свет нагревает непосредственно поверхность. NASA приводит примерно такие значения, на освещённой поверхности до +127 °C, в темноте около −173 °C. Разница достигает примерно 300 градусов.
На Земле атмосфера и океаны постоянно переносят энергию из более тёплых областей в более холодные.
На Луне такого эффективного механизма нет, поэтому одно и то же место может сильно нагреться во время длинного лунного дня и затем чрезвычайно сильно остыть в течение примерно двухнедельной ночи.
Почему в вечной тени бывает ещё холоднее
Особенно интересны кратеры возле лунных полюсов. Из-за малого наклона оси Луны дно некоторых глубоких кратеров никогда не освещается Солнцем. Там существуют постоянно затенённые области.Они способны охлаждаться до температур ниже 100 К, а наиболее холодные места, примерно до нескольких десятков кельвинов. Именно поэтому в таких кратерах способен сохраняться водяной лёд в течение очень длительного времени.
NASA отмечает температуры полярных постоянно затенённых областей вплоть примерно до −248 °C в некоторых оценках условий для оборудования и исследований, то есть поверхность небесного тела может быть значительно холоднее обычной лунной ночи.
Как Международная космическая станция не перегревается и не замерзает
МКС примерно каждые 90 минут совершает один оборот вокруг Земли. Станция переживает большие изменения внешнего теплового воздействия дважды за каждый примерно 90-минутный оборот.Однако внутри экипаж не переживает каждые 45 минут то жару, то мороз. На станции имеется сложная система терморегулирования.
Оборудование и люди выделяют тепло, а внутренние контуры собирают его и через теплообменники энергия передаётся наружному контуру, а большие внешние радиаторы станции излучают её в космос.
То есть одна из серьёзных проблем космического корабля, вовсе не как его согреть, а иногда наоборот, как избавиться от накопившегося тепла, когда вокруг вакуум.
Космический телескоп Webb одновременно горячий и очень холодный
Ещё эффектнее этот принцип демонстрирует телескоп James Webb. Огромный пятислойный солнцезащитный экран постоянно отделяет освещённую сторону аппарата от научных приборов.
NASA приводит впечатляющие значения, освещённая сторона примерно +85 °C, холодная сторона примерно −233 °C.И эти области находятся на одном космическом аппарате, разделённые расстоянием всего в несколько метров.
В космосе может быть миллион градусов
Здесь появляется ещё более странный парадокс. В некоторых областях межзвёздного пространства температура газа может достигать миллиона кельвинов.
NASA, например, приводит для разреженного газа так называемого Local Bubble температуру порядка 1 000 000 К. Получается, космос не холодный, а невероятно горячий?
Температура показывает среднюю кинетическую энергию отдельных частиц. В таком газе частицы действительно движутся чрезвычайно быстро, но самих частиц очень мало.
NASA для этой среды приводит плотность менее 0,001 атома на кубический сантиметр, поэтому суммарное количество энергии, которое такой газ способен передать большому объекту, невелико.
Представьте разницу, миллионы быстро движущихся молекул постоянно ударяют по вашей коже или одна очень быстрая частица прилетает изредка.
Температура отдельных частиц может быть огромной, но тепловое воздействие будет совершенно разным. Именно поэтому спутник в «газе температурой миллион градусов» не обязательно расплавится.
Почему астронавт не замёрзнет мгновенно
В кино человек, оказавшийся в открытом космосе, иногда моментально покрывается льдом. С точки зрения физики это неправильно. В вакууме отсутствует холодный воздух, который быстро отнимал бы тепло от тела посредством конвекции.
Человек продолжал бы терять энергию главным образом посредством излучения. Поэтому мгновенного замерзания не произошло бы.Однако отсутствие температуры воздуха вовсе не делает пребывание без скафандра безопасным. Гораздо быстрее возникнут проблемы из-за отсутствия давления и кислорода.
Таким образом, смертельная опасность открытого космоса связана прежде всего не с тем, что там «−270 °C».
Почему в космосе невозможно измерить температуру обычным термометром
Представим обычный термометр, вынесенный в открытый космос. Какую температуру он покажет? Не температуру вакуума, он будет показывать собственную температуру.
На Солнце термометр станет поглощать излучение и нагреваться. В тени начнёт излучать накопленное тепло и охлаждаться.
Если рядом находится Земля, она тоже будет посылать в его сторону инфракрасное излучение. Поэтому показания будут зависеть от расстояния до Солнца, ориентации термометра, цвета и отражательной способности поверхности, нахождения в тени, тепла ближайшей планеты, внутреннего тепловыделения прибора.
И два термометра в нескольких метрах друг от друга вполне могут показывать разные значения.
Чем дальше от Солнца, тем холоднее?
В общем случае количество солнечной энергии уменьшается с расстоянием. Поэтому объекту далеко от Солнца действительно проще остыть до очень низкой температуры.
Но опять же нет универсальной температуры для определённого расстояния. Большую роль играют свойства поверхности и дополнительные источники энергии.
Например, инфракрасные космические телескопы специально экранируют от Солнца и охлаждают до экстремально низких температур, чтобы собственное тепловое излучение аппарата не мешало наблюдениям.
Телескоп Planck пассивно охлаждал часть конструкции примерно до 50 К (−223 °C), а его самые чувствительные детекторы с помощью активной системы охлаждения работали примерно при 0,1 К, всего на десятую долю градуса выше абсолютного нуля.
Такие температуры достигаются не просто потому, что аппарат находится «в холодном космосе», а благодаря специально разработанной тепловой системе.
Что такое абсолютный ноль
Нижняя граница температурной шкалы называется абсолютным нулём 0 К = −273,15 °C.
Охладить обычное вещество ниже этой отметки невозможно в рамках обычной термодинамической температуры. Космический фон с температурой 2,725 К находится всего примерно на 2,7 градуса выше абсолютного нуля.
Отсюда и появляется впечатляющее сравнение, глубокий космос имеет радиационный фон всего примерно на три градуса выше абсолютного нуля.
Но снова важно добавить два слова, радиационный фон, а это не температура всего вещества во Вселенной.
Ссылки по теме:
